La lumière est une forme de rayonnement électromagnétique qui nous permet de voir les objets qui nous entourent. Elle possède à la fois les propriétés des ondes et des particules.
La lumière se propage sous forme d'ondes. Les principales propriétés des ondes lumineuses sont les suivantes :
- Longueur d'onde - Distance entre les pics d'onde consécutifs. Elle détermine la couleur de la lumière visible. Les longueurs d'onde les plus courtes se situent vers l'extrémité violette du spectre, tandis que les longueurs d'onde les plus longues se situent vers l'extrémité rouge.
- Fréquence - Nombre de cycles d'ondes passant par un point par unité de temps. Elle est mesurée en Hertz. La fréquence détermine la couleur de la lumière visible, les fréquences les plus élevées étant le violet et les fréquences les plus basses le rouge.
- Amplitude - La hauteur de l'onde du pic au creux. Elle détermine l'intensité ou la luminosité de la lumière. Une amplitude plus élevée signifie une lumière plus vive.
- Vitesse - Les ondes lumineuses se déplacent à une vitesse extrêmement élevée de 300 000 km/s dans le vide. Cette vitesse est généralement appelée vitesse de la lumière et notée c.
La lumière présente à la fois les propriétés des ondes et des particules. La nature à la fois onde et particule de la lumière est expliquée par la mécanique quantique. L'aspect particule de la lumière est quantifié en paquets discrets appelés photons.
Vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans le vide, communément notée c, est une constante physique universelle qui est importante dans de nombreux domaines de la physique. La lumière se propage à cette vitesse dans le vide, quel que soit le mouvement de la source ou le référentiel inertiel de l'observateur.
La vitesse de la lumière dans le vide est exactement de 299 792 458 mètres par seconde. Cette vitesse représente la limite supérieure de déplacement de toute matière et information dans l'univers. La raison pour laquelle la lumière a cette limite de vitesse est que, en tant que photons, elle présente à la fois les propriétés d'une onde et d'une particule. En tant qu'onde, la lumière n'a besoin d'aucun milieu pour se propager et peut traverser le vide. En tant que particule, les photons n'ont pas de masse mais conservent néanmoins leur élan et leur énergie.
Bien que la vitesse de la lumière dans le vide soit constante, la vitesse de la lumière à travers différents matériaux transparents peut varier. En effet, lorsque la lumière traverse un milieu, elle est absorbée par les atomes du matériau, puis réémise rapidement, ce qui la ralentit par rapport à sa vitesse dans le vide. Par exemple, la vitesse de la lumière dans l'eau est d'environ 225 000 000 m/s et dans le verre, elle est d'environ 200 000 000 m/s. Cependant, lorsque la lumière sort du matériau, elle retrouve sa vitesse initiale dans le vide.
Comment la lumière voyage
La lumière se propage sous forme d'ondes électromagnétiques. Ces ondes possèdent un champ électrique et un champ magnétique oscillants qui sont perpendiculaires l'un à l'autre et à la direction de propagation des ondes. Les champs électrique et magnétique alternatifs se propagent mutuellement en continu dans l'espace à la vitesse de la lumière.
Au fur et à mesure que l'onde électromagnétique se propage, les intensités des champs électrique et magnétique augmentent et diminuent périodiquement. La distance entre les pics ou les creux successifs de l'onde électromagnétique est appelée longueur d'onde. Le nombre de cycles d'onde qui passent par un point par unité de temps est appelé fréquence.
Les ondes lumineuses couvrent une large gamme de longueurs d'onde et de fréquences dans le spectre électromagnétique, des ondes radio à l'extrémité des ondes longues aux rayons gamma à l'extrémité des ondes courtes et des hautes fréquences. La lumière visible que les humains peuvent voir n'occupe qu'une petite partie au milieu. Mais tous ces différents types de rayonnement électromagnétique se déplacent à la même vitesse dans le vide - la limite universelle de vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde.
Les champs électriques et magnétiques oscillants d'une onde lumineuse électromagnétique ont la capacité de transférer de l'énergie par le biais d'interactions avec des particules chargées. Cela permet aux ondes lumineuses d'être émises, absorbées, réfléchies, réfractées, diffractées, diffusées, etc. au fur et à mesure de leur propagation. En résumé, la lumière se propage sous la forme d'une onde électromagnétique auto-propageante avec des champs électriques et magnétiques oscillants perpendiculaires à la direction de déplacement.
Réflexion et réfraction
La lumière interagit avec la matière de différentes manières. Les deux principales interactions sont la réflexion et la réfraction.
Réflexion
Lorsque la lumière frappe une surface lisse, une partie de la lumière est réfléchie. Cela signifie que la lumière rebondit sur la surface et continue de se déplacer dans une nouvelle direction. L'angle selon lequel la lumière est réfléchie est égal à l'angle selon lequel elle frappe la surface. C'est ce qu'on appelle la loi de la réflexion.
La réflexion se produit lorsqu'il y a un changement de milieu et que la lumière ne peut pas passer. Par exemple, la lumière visible ne peut pas traverser les métaux. Lorsque la lumière frappe une surface métallique, toute la lumière est réfléchie. La plupart des surfaces brillantes comme les miroirs réfléchissent la lumière de cette façon, ce qui nous permet de voir les reflets.
Réfraction
La réfraction se produit lorsque la lumière passe d'un milieu transparent à un autre, comme de l'air à l'eau. Lorsque la lumière se déplace d'un milieu à l'autre, elle change de vitesse et se courbe ou se réfracte.
La quantité de courbure dépend des indices de réfraction des deux milieux. Par exemple, la lumière se déplace plus lentement dans l'eau que dans l'air. Lorsque la lumière passe dans l'eau, le changement de vitesse la fait se courber vers la ligne normale. Lorsque la lumière sort de l'eau et retourne dans l'air, elle accélère et se courbe en s'éloignant de la ligne normale.
La réfraction est responsable de nombreux phénomènes optiques tels que les lentilles, les prismes et les arcs-en-ciel. Elle permet à la lumière de se déplacer dans les coins et permet la transmission d'informations par fibre optique. La compréhension des principes de la réfraction est essentielle à une grande partie de l'optique moderne.
Diffraction et interférence
La lumière présente des propriétés ondulatoires telles que la diffraction et l’interférence lorsqu’elle rencontre des obstacles ou des fentes.
La diffraction fait référence à la capacité des ondes lumineuses à se courber autour des angles et à se propager après avoir traversé de petites ouvertures. Les ondes lumineuses se diffractent et se propagent lorsqu'elles traversent une ouverture étroite ou contournent un obstacle. Cela provoque des interférences entre les ondes et produit un motif de diffraction avec des bandes lumineuses et sombres alternées. La diffraction permet aux ondes lumineuses de se courber et de se propager, leur permettant ainsi de se déplacer dans les zones d'ombre.
L'interférence se produit lorsque deux ou plusieurs ondes lumineuses se chevauchent et se combinent. Si les ondes sont en phase, elles interfèrent de manière constructive et s'amplifient mutuellement, ce qui produit des bandes lumineuses. Si elles sont déphasées, elles interfèrent de manière destructive et s'annulent mutuellement, ce qui produit des bandes sombres. Le modèle d'interférence dépend de la longueur d'onde de la lumière et de la différence de longueur de trajet. Les ondes lumineuses peuvent interférer de manière constructive ou destructive pour produire des franges lumineuses et sombres.
La diffraction et l'interférence démontrent les propriétés ondulatoires de la lumière. Lorsque la lumière se propage, elle peut contourner les objets, s'étendre et interférer de manière constructive ou destructive avec elle-même. Ces comportements ondulatoires permettent à la lumière de se déplacer dans les zones d'ombre et de produire des motifs d'interférence.
Émission de lumière
La lumière peut être émise de plusieurs manières. L'une des plus courantes est l'accélération des charges. Lorsque des particules chargées comme les électrons sont accélérées, elles émettent un rayonnement électromagnétique sous forme de photons. Voici quelques exemples d'émission de lumière via des charges accélératrices :
Diodes électroluminescentes (DEL)
Les LED contiennent une puce semi-conductrice enfermée dans du plastique. Lorsque le courant traverse le semi-conducteur, les électrons sont accélérés et libèrent des photons. La couleur de la lumière dépend du matériau semi-conducteur utilisé. Les LED sont des sources de lumière très économes en énergie et durables, utilisées dans les écrans, les enseignes et l'éclairage.
Lampes fluorescentes
Les lampes fluorescentes contiennent de la vapeur de mercure qui émet des rayons ultraviolets lorsqu'elles sont excitées par l'électricité. La lumière UV est absorbée par un revêtement phosphorescent à l'intérieur de l'ampoule, ce qui provoque sa fluorescence et l'émission d'une lumière visible. Le revêtement phosphorescent détermine la couleur de la lumière.
Rayonnement thermique
Lorsque les matériaux sont chauffés, leurs atomes vibrent plus rapidement. Les particules chargées des atomes accélèrent en vibrant, émettant un rayonnement électromagnétique. Plus un objet est chaud, plus ses atomes vibrent rapidement et plus il émet un rayonnement thermique de longueur d'onde plus courte (fréquence plus élevée). Les objets chauds comme le soleil et les ampoules à incandescence émettent un rayonnement thermique dans le spectre visible que nos yeux détectent comme de la lumière.
En résumé, la lumière peut être produite par l'accélération des charges lorsque l'énergie provoque le déplacement plus rapide des électrons des atomes et des molécules et l'émission de photons. Ce processus est utilisé dans de nombreuses sources lumineuses essentielles à la technologie et à l'éclairage modernes.
Absorption de la lumière
Lorsque la lumière entre en contact avec la matière, comme les gaz, les liquides, les solides et le plasma, une partie de la lumière peut être absorbée. L'absorption de la lumière se produit lorsque l'énergie et le rayonnement électromagnétique de la lumière sont absorbés par la matière.
Plus précisément, l'absorption de la lumière se produit lorsque des photons, l'aspect particulaire des ondes lumineuses, frappent des atomes dans la matière. Les photons transfèrent alors leur énergie aux électrons des atomes. Les électrons absorbent alors l'énergie et sont excités vers des états d'énergie plus élevés, sautant vers des orbitales extérieures éloignées du noyau de l'atome.
Le principe clé est que la matière absorbe des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. Les niveaux d'énergie des électrons d'un atome et les différences entre ces niveaux d'énergie déterminent les longueurs d'onde qui peuvent être absorbées. La lumière qui correspond à ces différences de niveaux d'énergie peut élever les électrons vers des états excités. Mais la lumière d'autres longueurs d'onde passe à travers, car il n'y a pas de transition électronique correspondante.
Par exemple, lorsque la lumière blanche brille sur une feuille, les molécules de pigment chlorophyllien de la plante absorbent fortement la lumière rouge et bleue. En revanche, la lumière verte est faiblement absorbée et est réfléchie. Cette absorption sélective donne aux feuilles leur couleur verte. Elle permet également la photosynthèse chez les plantes en canalisant la lumière bleue et rouge pour alimenter les réactions chimiques.
En résumé, l’absorption de la lumière se produit parce que la matière contient des électrons dont les niveaux d’énergie peuvent être augmentés par les photons entrants. Cette énergie électromagnétique absorbée est convertie en énergie interne dans les atomes et les molécules. L’absorption de la lumière fait partie intégrante de nombreuses technologies basées sur la lumière comme le photovoltaïque, la photographie, les lasers, etc. La compréhension des interactions entre la lumière et la matière permet de contrôler l’absorption de la lumière pour de nombreuses applications.
Diffusion de la lumière
La diffusion de la lumière fait référence à ce qui se passe lorsque la lumière frappe de minuscules particules dans l'atmosphère ou des objets et est redirigée dans différentes directions. Cet effet de diffusion est ce qui fait que le ciel apparaît bleu pendant la journée. La lumière du soleil contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, mais les longueurs d'onde plus courtes de la lumière bleue et violette sont plus diffusées que les autres couleurs par les gaz qui composent notre atmosphère. Cette lumière bleue diffusée est ce qui fait que le ciel paraît bleu à nos yeux.
La diffusion de la lumière est également responsable de la création des belles couleurs que nous voyons lors des levers et des couchers de soleil. Lorsque la lumière du soleil traverse une plus grande partie de l’atmosphère à l’approche du lever et du coucher du soleil, une plus grande partie de la lumière bleue est dispersée. La lumière restante non diffusée apparaît plus rougeâtre, ce qui donne ces couleurs orange et rouge vives. Les particules de différentes tailles présentes dans l’atmosphère diffusent la lumière différemment, ce qui donne la large gamme de couleurs que nous observons lors des couchers de soleil. La poussière, la pollution et l’humidité de l’air peuvent également avoir un impact sur les couleurs lors des couchers de soleil.
La diffusion de la lumière sur les objets est la façon dont nous percevons leurs couleurs. Une chemise rouge, par exemple, diffuse la lumière rouge qui la frappe tout en absorbant les autres couleurs. La diffusion de la lumière sur les matériaux est sélective, ce qui signifie que certaines couleurs sont réfléchies plus que d’autres. Cette lumière diffusée pénètre dans nos yeux, nous permettant de percevoir la couleur de cet objet. La diffusion de la lumière fait donc partie intégrante de la façon dont nous observons les couleurs dans le monde qui nous entoure.
Nature quantique de la lumière
La lumière présente à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires, ce que l'on appelle la dualité onde-particule de la lumière. Les propriétés ondulatoires de la lumière peuvent être observées à travers des phénomènes tels que l'interférence et la diffraction, qui démontrent que la lumière se comporte comme une onde.
Cependant, la lumière présente également des propriétés particulaires. La nature particulaire de la lumière peut être observée dans l'effet photoélectrique, où la lumière éjecte des électrons des métaux comme si elle était constituée de particules discrètes appelées photons. L'énergie des électrons éjectés dépend de la fréquence, et non de l'intensité, de la lumière. Cela n'aurait pas de sens si la lumière était uniquement une onde - l'intensité devrait déterminer l'énergie des électrons. Mais comme la lumière a une nature particulaire sous-jacente, chaque photon contient une quantité quantifiée d'énergie basée sur sa fréquence.
La lumière n’est donc pas une simple onde ou particule : elle présente à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires. Cette dualité onde-particule est une caractéristique fondamentale de la physique quantique qui défie notre intuition quotidienne sur la nature de la lumière et de la matière. L’expérience de la double fente illustre parfaitement cet étrange effet quantique. Lorsque des quanta de lumière individuels (photons) traversent deux fentes, ils produisent un motif d’interférence qui ne peut être provoqué que par une onde. Pourtant, la lumière arrive sous forme de photons discrets, comme des particules. La manière dont la lumière peut présenter à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires reste l’un des mystères les plus profonds de la mécanique quantique.
Conclusion
La façon dont la lumière se propage est véritablement fascinante. En résumé, nous avons exploré plusieurs points clés :
- La lumière se déplace à une vitesse incroyablement rapide : la vitesse cosmique est limitée à 300 000 km/s. Dans le vide, cette vitesse est constante.
- La lumière présente des propriétés à la fois ondulatoires et particulaires. En tant qu'onde, elle peut se courber autour des objets (diffraction), se refléter sur des surfaces (réflexion) et se courber lorsqu'elle passe entre des milieux (réfraction).
- Les ondes lumineuses peuvent interagir entre elles, conduisant à des motifs d’interférence de franges claires et sombres.
- La matière peut absorber des fréquences lumineuses spécifiques et émettre les fréquences restantes que nous percevons sous forme de couleur. La fluorescence se produit lorsque la matière réémet la lumière absorbée.
- La nature quantique de la lumière est toujours un domaine de recherche actif, avec des implications pour l'informatique quantique, la cryptographie, etc. Les photons sont des paquets de lumière discrets qui agissent à la fois comme des particules et des ondes.
La compréhension du transport de la lumière a permis le développement de nombreuses technologies qui façonnent notre monde moderne : appareils photo, télescopes, microscopes, lasers, télécommunications par fibre optique, etc. Les progrès réalisés dans le domaine de l'éclairage LED et des cellules solaires reposent également sur l'application de ces connaissances.
Grâce à une compréhension fondamentale de la vitesse, des comportements et des propriétés quantiques de la lumière, nous pouvons continuer à repousser les limites de l’optique et de la photonique pour construire un avenir meilleur.
